回火工艺对低碳贝氏体高强钢组织与性能的影响

来源:首钢技术研究院作者:张楠

采用两阶段控轧控冷工艺轧制低碳贝氏体高强钢,在不同温度下进行一定时间的回火处理,检测回火处理前后钢板的力学性能,并对比分析了显微组织。结果表明,析出强化在回火处理前后起主导作用;随着回火温度的提高,组织从粒状贝氏体向准多边形铁素体过渡;在600~750℃进行回火处理,试验钢中的析出相粒子均匀弥散析出,屈服强度上升了90~135MPa,抗拉强度上升了15~55MPa;准多边形铁素体组织在-20℃的冲击功不低于30J。

低碳贝氏体钢具有较高的强韧性,是一类用途广泛的新型钢种,主要为满足材料的焊接性能以及不同用户对性能的特殊要求。低碳贝氏体钢的最终力学性能受组织类型、晶粒细化程度和析出相粒子析出行为等共同因素决定。为进一步提高低碳贝氏体钢的综合力学性能,国内外学者已在合金成分调整、轧制工艺优化和相变机理研究等方面开展了较为全面的研究工作,但对回火工艺的制定和优化尚不够充分,各种强化手段谁占主导地位鲜有报道。为此,本文通过研究回火工艺对一种低碳贝氏体钢显微组织和力学性能的影响,为优化板材的生产工艺提供理论依据。

1、试验材料及方法

板卷轧制采用两阶段控轧控冷工艺:将80mm厚钢坯加热至1250℃、保温2h后进行第一阶段的奥氏体再结晶区轧制,轧制温度控制在1000℃以上,累计变形量为60%~70%;第二阶段为奥氏体非再结晶区精轧,出口温度控制在800~850℃,累计变形量为60%~80%;水冷至600℃后卷曲,钢板最终厚度为8mm,化学成分见表1。

表1 试验钢的化学成分(质量分数,%)

试验钢的化学成分

为了分析回火温度对试验钢显微组织和力学性能的影响,将8mm厚板卷开平后,再截取板卷尾部板材进行回火热处理试验,试样尺寸依据热处理炉内空腔尺寸而定。回火处理工艺分别为600、650、700℃下保温5、15min,空冷至室温。回火后将试样加工成标准纵向拉伸试样和5mm×10mm×55mm的横向冲击试样;金相试样经磨制和机械抛光后用4%的硝酸酒精溶液进行侵蚀,采用S-3400N扫描电镜(SEM)进行组织观察;采用JEM-2100F型透射电镜(TEM)对粒子尺寸、形貌及数量进行分析,应用能谱分析仪(EDS)定性分析粒子成分。粒子尺寸和数量的确定采取相同倍数下随机选取多于10个不同的视野进行统计。

2、试验结果与分析

2.1、显微组织的影响

低碳贝氏体为亚稳态组织,对回火温度较为敏感。试验钢回火处理前后的SEM组织照片见图1。由图1可见:

母材及不同回火处理工艺的SEM组织照片

图1 母材及不同回火处理工艺的SEM组织照片

(a)母材;(b)600℃保温5min;(c)650℃保温5min;(d)700℃保温5min

1)母材组织中以粒状贝氏体+大量马奥岛(M/A岛)为主。据文献报道,在成分一定的情况下,组织强化作用由低到高的顺序为准多边形铁素体、针状铁素体、粒状贝氏体和板条状贝氏体铁素体,若组织中多种组织并存,则屈服强度是由这些组织中的“软组织”决定,抗拉强度由“硬组织”及其含量决定。粒状贝氏体是一种中温转变产物,相对于准多边形铁素体组织而言,粒状贝氏体属于“硬组织”,由于试验钢成分体系下含有一定量的硼,当与其他合金元素如钛和铌等复合作用,可以提高奥氏体再结晶温度和细化铁素体晶粒,同时硼还可以显著降低相变温度,它在晶界的偏聚又可以拓宽贝氏体和马氏体的冷却速度范围,即使在水冷速度较慢时,也可促进过冷奥氏体稳定性。当铁素体从过冷奥氏体中析出时,一部分残留奥氏体弥散分布在铁素体内,形成粒状贝氏体;另一部分富碳残留奥氏体随着温度的降低,在铁素体晶界间转变成多为长条状和尖角状的形貌各异的M/A岛,对组织起到了强化效果;但它同时破坏了基体的连续性,由于不同形貌的M/A岛周围多会产生晶格畸变,进而引起应力集中,影响材料的断裂韧性。因此,在高强钢生产中,M/A岛颗粒的形状及分布必须在终轧温度、冷却速率及终冷温度等环节上以控制。

2)经600℃保温5min的回火处理后,试样的显微组织中处于亚稳态的粒状贝氏体发生回复,向准多边形铁素体组织转变,晶粒略微粗化,原始组织中位于晶界的长条状和尖角状M/A岛分解,转化为粒状M/A岛,且分布位置遗传了原始组织中长条状和尖角状M/A岛的晶界位置。

3)经650℃保温5min的回火处理后,试样的显微组织中出现了较多的准多边形铁素体+少量粒状贝氏体组织,由于粒状M/A岛进一步减少,相比长条状和尖角状M/A岛而言,已大大降低了晶格畸变引起的局部应力集中,故铁素体+少量弥散分布的点状M/A岛形成的组织不会对钢材的韧性有明显损害。

4)经700℃保温5min的回火处理后,试样的显微组织形貌与经650℃保温5min回火处理后的试样显微组织形貌相差不大,粒状贝氏体组织消失,晶粒明显变大。

综上所述,原始板材组织对强度的贡献最大,随着回火温度的上升,组织强化效果降低。

结论

1)回火处理工艺对试验钢的显微组织有明显影响。母材组织为粒状贝氏体+大量M/A岛,随着回火温度的升高,粒状贝氏体逐渐转变为准多边形铁素体,M/A岛逐渐分解;

2)回火处理工艺对试验钢的力学性能有明显影响。与未回火处理的板材拉伸性能相比,回火处理后板材的屈服强度提高了90~135MPa,抗拉强度提高了15~55MPa。通过对力学性能的综合考量,试验钢的最佳回火工艺为回火650℃保温5min;

3)试验钢的析出强化作用对力学性能的影响最大,尤其以尺寸为2~6nm,分布均匀弥散,且具有一定析出比例的细小析出相对强度,特别是屈服强度的影响最为显著;

4)试验钢回火处理后,沿晶界析出的网状淬硬组织是降低冲击韧性的主要原因。当对钢铁材料的屈强比有严格要求时,应适当降低回火温度和保温时间,或通过调整轧制工艺,进而促进析出相粒子的在线析出,以降低生产成本。